基于超光譜技術(shù)檢驗(yàn)添改文件的實(shí)驗(yàn)研究

趙 巍， 高樹(shù)輝

(中國(guó)人民公安大學(xué)刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 北京 100076)

0 引言

添改文件是指在原真實(shí)文件(或文字)上添加、改寫(xiě)部分內(nèi)容(或筆畫(huà))從而改變?cè)鎸?shí)文件而形成的內(nèi)容虛假的可疑文件[1]。傳統(tǒng)上對(duì)添改文件進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)的方法主要有顯微、分色、紫外[2]、紅外照相等，這些方法雖然能實(shí)現(xiàn)對(duì)添改文件的無(wú)損檢驗(yàn)，但是只能對(duì)文件進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析，當(dāng)手寫(xiě)字跡物理性質(zhì)相近、依靠形態(tài)學(xué)難以區(qū)分時(shí)就難以發(fā)揮作用。常用于檢驗(yàn)的儀器方法主要有薄層色譜(TLC)[3]、高效薄層色譜(HPTLC)[4]、實(shí)時(shí)質(zhì)譜分析(DART MS)[5]、高效液相色譜(HPLC)[6]、毛細(xì)管電泳(CE)[7]等，這些方法雖然具有良好的鑒別能力，但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)對(duì)樣本造成不同程度的破壞。光譜成像檢驗(yàn)不會(huì)對(duì)樣品造成損失，能為檢驗(yàn)結(jié)果提供量化的證據(jù)支持、使結(jié)果更具客觀性和科學(xué)性，在文件檢驗(yàn)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普遍。目前常用的光譜技術(shù)主要有：紅外光譜(IR)[8]、紫外可見(jiàn)光譜(UV-VIS)[9]、微量分光光度測(cè)定法(MSP)[10]、拉曼光譜(RS)[11]等。

本文就同色不同筆書(shū)寫(xiě)形成的添改文件檢驗(yàn)進(jìn)行探討，采用信封和紅鑫感熱記錄熱敏紙(光滑面)為書(shū)寫(xiě)載體，選用20種不同品牌型號(hào)的藍(lán)色中性筆芯為書(shū)寫(xiě)工具，利用超光譜技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行分析，探索科學(xué)定量的方法在添改文件檢驗(yàn)中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

超光譜成像(Hyperspectral imaging)將數(shù)字成像技術(shù)和光譜技術(shù)相結(jié)合，獲得同時(shí)包含樣本空間和光譜信息的超立方陣(Hypercube)[12]。圖像中每個(gè)像素的強(qiáng)度均可以被繪制成波長(zhǎng)的函數(shù)，在任何給定波長(zhǎng)處形成油墨的反射率光譜。由于不同型號(hào)油墨的油料配比不同，光譜特性存在差異。利用超光譜技術(shù)的上述優(yōu)勢(shì)，探測(cè)不同油墨光譜的細(xì)微差異，以區(qū)分不同種類(lèi)的墨跡。

本實(shí)驗(yàn)中采用CIE1931Yxy表色方法對(duì)油墨顏色進(jìn)行測(cè)量：色度圖上馬蹄形光譜軌跡線及其內(nèi)部分別代表不同波長(zhǎng)可見(jiàn)光的色度值，軌跡線上各點(diǎn)表示100%純色、飽和度最高；馬蹄形內(nèi)部中心色度坐標(biāo)近似為(0.33，0.33，0.33)為白光點(diǎn)，近似日光、飽和度最低；色度坐標(biāo)x、y分別代表R、G原色的比例，色度圖上每一點(diǎn)代表一個(gè)顏色，所有的顏色都被包含在馬蹄形軌跡的范圍內(nèi)。我們通常所說(shuō)的同色字跡泛指目視顏色相同的字跡，而人眼感知的同種顏色在色度圖上表現(xiàn)為一個(gè)范圍而非一點(diǎn)，當(dāng)顏色在這個(gè)范圍內(nèi)變化時(shí)人眼不能接收到顏色變化的信息。這種人眼無(wú)法區(qū)分差別的顏色寬容量[13]在CIE色度圖上以?xún)缮赛c(diǎn)之間的距離得以清晰量化，為同色不同筆字跡的添改檢驗(yàn)提供顏色測(cè)量新思路。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 實(shí)驗(yàn)樣本的制作

選取不同品牌型號(hào)的藍(lán)色中性筆芯20支，依次從1～20編號(hào)(見(jiàn)表1)；分別以信封和紅鑫感熱記錄熱敏紙(光滑一面)為承載客體，用20支藍(lán)色中性筆芯書(shū)寫(xiě)各自編號(hào)，形成實(shí)驗(yàn)樣本(見(jiàn)圖1、圖2)。

表1 實(shí)驗(yàn)所用筆芯及品牌型號(hào)一覽表

圖1 信封上書(shū)寫(xiě)樣本

圖2 熱敏紙書(shū)寫(xiě)樣本

1.2.2 不同波段下樣本的成像實(shí)驗(yàn)

使用Foster&Freeman VSC8000工作站，觀察視野的放大倍率設(shè)置為6.18，在可見(jiàn)光下得到樣本原貌圖像(見(jiàn)圖1、圖2)，依次選取530 nm、550 nm、570 nm、590 nm、610 nm、630 nm、645 nm、665 nm、715 nm、725 nm、780 nm、830 nm、850 nm、925 nm以及偏振光為成像光波段，收集樣本在不同波段的成像情況(見(jiàn)圖3、圖4)。

圖3 信封上20種筆芯6個(gè)波段提取結(jié)果圖

圖4 熱敏紙上20種筆芯4個(gè)波段提取結(jié)果圖

信封樣本(記為x)上，570 nm時(shí)，1、3、16、17號(hào)字跡明顯變淡；715 nm時(shí)，1號(hào)字跡消失，3、16、17號(hào)字跡隱約可見(jiàn)；780 nm時(shí)，3、16、17號(hào)字跡消失，2號(hào)字跡半消失，14號(hào)字跡隱約可見(jiàn)；830 nm時(shí)，4、6、7、11號(hào)字跡消失，除18號(hào)字跡外其他字跡仍然有輪廓存余；925 nm時(shí)，5、9、20號(hào)字跡輪廓隱約尚存并接近消失，18號(hào)字跡仍然清晰可見(jiàn)。

熱敏紙樣本(記為r)上，645 nm時(shí)，1號(hào)字跡完全消失；830 nm時(shí)，3、16、17號(hào)字跡接近消失，2號(hào)字跡次之；925 nm時(shí)，18號(hào)字跡仍清晰可見(jiàn)，其他字跡肉眼仍能辨別。

1.2.3 超光譜量化分析實(shí)驗(yàn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行超光譜量化分析，本實(shí)驗(yàn)收集吸收光譜圖(Abs)(信封樣本x1～20號(hào)字跡的光譜曲線見(jiàn)圖5，紅鑫感熱記錄熱敏紙樣本r1～20見(jiàn)圖6)。吸收光譜圖上，橫軸坐標(biāo)為波長(zhǎng)(單位：nm)，縱軸代表吸收光強(qiáng)度百分比(%)，光譜曲線上每一點(diǎn)反映了特定波長(zhǎng)下墨跡吸收光強(qiáng)百分比；墨跡在吸光能力強(qiáng)的波長(zhǎng)處成峰，反之成谷；對(duì)同一波長(zhǎng)的光吸收反射性質(zhì)相同的墨跡曲線相交形成交點(diǎn)；光譜曲線總體反映了物體在給定范圍波長(zhǎng)光的吸收反射特性。圖中20條不同顏色的光譜曲線分別是20支筆芯油墨對(duì)400～1 000 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光反射吸收性質(zhì)的量化結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：20種不同品牌型號(hào)的字跡具有20條不同的光譜曲線，超光譜技術(shù)可對(duì)不同藍(lán)色墨跡進(jìn)行有效區(qū)分。

圖5 信封樣本x1～20號(hào)字跡的光譜曲線

圖6 信封樣本x1～20號(hào)字跡的光譜曲線

收集墨跡樣本CIE1931Yxy色度圖(信紙樣本x1～20色度圖見(jiàn)圖7，熱敏紙樣本r1～20色度圖見(jiàn)圖8)。色度圖中，參數(shù)Y與Y刺激值一致、用于表征亮度，x、y分別代表紅、綠原色的比例，色度坐標(biāo)(x，y)用于在圖上定點(diǎn)表色。不同墨跡組成成分不同，色度坐標(biāo)存在差異。CIE色度圖將顏色量化，人眼難以辨別差異的顏色通過(guò)在色度圖上占據(jù)不同的位置、以不同色度坐標(biāo)的形式呈現(xiàn)，為同色不同筆形成的添改文件的檢驗(yàn)提供了一個(gè)新的思路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：20種同色字跡在CIE色度圖上分別占據(jù)20個(gè)不同的位置，為同色不同筆添改文件檢驗(yàn)提供證據(jù)支持。

圖7 信封樣本x1～20號(hào)CIE色度圖

圖8 熱敏紙樣本x1～20號(hào)CIE色度圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 不同波段下的成像情況

由于不同品牌型號(hào)筆芯配料存在差異，對(duì)相同波長(zhǎng)光的反射吸收情況不同，因此同一客體上不同墨跡在不同光波段下的成像情況不同。根據(jù)墨跡的這一性質(zhì)，可以對(duì)不同筆書(shū)寫(xiě)的添改文件進(jìn)行檢驗(yàn)；但是對(duì)于同一光波段下成像情況區(qū)別不大，肉眼難以分辨的添改文件，如x3、x16、x17號(hào)字跡(見(jiàn)圖3)，同時(shí)變淡同時(shí)消失，這一方法則難以發(fā)揮效力。傳統(tǒng)檢驗(yàn)方法的局限性，亟需我們探索新的方法進(jìn)行檢驗(yàn)。另外，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同客體上同種墨跡在同一光波段下的成像情況也存在差別，書(shū)寫(xiě)載體的變化會(huì)對(duì)墨跡的光譜特性產(chǎn)生一定的影響，如x1在715 nm時(shí)消失，r1在645 nm時(shí)即消失，x樣本上925 nm時(shí)大部分字跡消失不可辨而r樣本上大部分字跡仍殘存肉眼可分辨的輪廓(見(jiàn)圖3、圖4)。

2.2 同種承載客體上20種不同墨跡的超光譜曲線與CIE色度圖

信紙樣本上，20種墨跡的超光譜曲線各不相同(見(jiàn)圖5)；色度圖(見(jiàn)圖9，序號(hào)9代表1號(hào)字跡依次下排)分為明顯的3簇，色度坐標(biāo)(見(jiàn)圖7)各不相同。熱敏紙樣本上，20種墨跡的超光譜曲線形成明顯區(qū)分(見(jiàn)圖6)；色度圖(見(jiàn)圖10，序號(hào)37代表1號(hào)字跡，57代表2號(hào)字跡依次下排)分為明顯的6簇，色度坐標(biāo)(見(jiàn)圖8)各不相同。不同品牌型號(hào)的筆芯油墨配料存在差異，通過(guò)光譜圖和色度圖可以對(duì)油墨成分進(jìn)行區(qū)分。超光譜量化分析對(duì)20種筆芯在實(shí)驗(yàn)中兩種承載客體上的墨跡實(shí)現(xiàn)了有效區(qū)分，為添改文件提供了新的檢驗(yàn)方法。

2.3 不同承載客體上相同墨跡的超光譜曲線與CIE色度圖

信封與熱敏紙上相同墨跡的超光譜曲線不同，色度坐標(biāo)不同：這里以3號(hào)筆芯分別在信紙和熱敏紙上形成的實(shí)驗(yàn)樣本比較為例，光譜比較結(jié)果見(jiàn)圖9，CIE色度圖比較結(jié)果見(jiàn)圖10。承載客體不同，會(huì)對(duì)字跡光譜曲線測(cè)量產(chǎn)生一定的影響，在利用光譜曲線對(duì)添改文件進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí)要綜合考慮多方因素。同時(shí)，承載客體表面性質(zhì)不同，不僅對(duì)相同波長(zhǎng)光的反射/吸收情況不同，還會(huì)影響墨跡顏料在客體表面的分布狀態(tài)并在墨跡色澤上形成區(qū)分，因此，同支筆書(shū)寫(xiě)的字跡在不同的書(shū)寫(xiě)載體上，會(huì)表現(xiàn)出“不同的顏色”。

圖9 信封與熱敏紙上3號(hào)字跡樣本光譜曲線對(duì)比圖

圖10 信封與熱敏紙上3號(hào)字跡樣本CIE色度圖對(duì)比圖

3 結(jié)論

3.1 實(shí)驗(yàn)中標(biāo)準(zhǔn)白測(cè)量對(duì)獲得光譜曲線的影響

對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，每次測(cè)量之前都要在相同放大倍率下校正、進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)白測(cè)量，以確保儀器準(zhǔn)確識(shí)別并降低背景干擾，從而得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

3.2 實(shí)驗(yàn)中選點(diǎn)位置對(duì)光譜曲線的影響

不同筆畫(huà)處墨跡均勻度不同，選取至少3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以平均化結(jié)果獲取光譜曲線，降低實(shí)驗(yàn)誤差；對(duì)樣本進(jìn)行采點(diǎn)時(shí)，盡可能讓十字檢測(cè)點(diǎn)覆蓋處不留白，提高測(cè)量的精度。

3.3 思考

同一書(shū)寫(xiě)載體上不同品牌型號(hào)筆芯書(shū)寫(xiě)字跡的光譜曲線(見(jiàn)圖5、圖6)、CIE色度坐標(biāo)不同(見(jiàn)圖7)，不同書(shū)寫(xiě)載體上同一型號(hào)筆芯書(shū)寫(xiě)的字跡光譜曲線(見(jiàn)圖9)、CIE色度坐標(biāo)(見(jiàn)圖10)存在差異。超光譜成像技術(shù)能夠檢測(cè)出不同種類(lèi)墨跡成分的細(xì)微差別，對(duì)樣本的需求量少，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于添改文件的高效無(wú)損檢驗(yàn)。它將結(jié)果量化，最大限度地降低了檢驗(yàn)過(guò)程中鑒定人員主觀經(jīng)驗(yàn)的影響，使得檢驗(yàn)過(guò)程更加科學(xué)、客觀。同時(shí)，CIE色度圖能充分捕獲人眼難以分辨的色彩差別，將傳統(tǒng)意義上的同色字跡加以分別，為添改文件的檢驗(yàn)提供了更加充足的證據(jù)支持。但是，對(duì)于同支筆不同時(shí)間書(shū)寫(xiě)的字跡是否能在光譜曲線和CIE色度圖上有所區(qū)分，尚需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。